DE10129726C2

DE10129726C2 - Verfahren zum Bestimmen von Zieldaten

Info

Publication number: DE10129726C2
Application number: DE10129726A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Steiner; Ulrich Steimel
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: EP1410060A1; PT1410060E; WO2003001233A1; ATE337561T1; DE10129726A1; NO20035744L; DE50207946D1; AU2002310837B2; NO330973B1; ES2268040T3; NO20035744D0; EP1410060B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum passiven Bestimmen von Zieldaten durch richtungsselektiven Empfang von Schallwellen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Um ohne Eigenverrat von einem Trägerfahrzeug, z. B. einem Oberflächenschiff oder U-Boot, Position, Geschwindigkeit und Kurs eines Ziels, z. B. eines Oberflächenschiffs, U-Boots oder Torpedos als Zieldaten zu bestimmen, werden mit einer Sonar- Empfangsanlage Schallwellen des Zielgeräusches empfangen und Peilwinkel zum Ziel gemessen. Aus diesen Peilwinkeln wird zusammen mit den Eigenpositionen des Trägerfahrzeugs eine Position des Ziels geschätzt und ein zugehöriger geschätzter Peilwinkel berechnet. Iterativ wird die Differenz zwischen dem gemessenen und dem geschätzten Peilwinkel solange verkleinert, bis eine Fehlergrenze unterschritten ist. Die zugrundeliegende geschätzte Position wird als Zielposition erkannt.

Ausgehend von einer Anfangsposition des Ziels, die z. B. willkürlich als Startposition auf einem ersten Peilstrahl gewählt wird oder durch andere an Bord befindliche Sensoren bekannt ist, werden Positionen aus geschätzten x-y- Komponenten für das Ziel berechnet und daraus geschätzte Peilwinkel bestimmt. Das Trägerfahrzeug fährt für die Peilwinkelmessungen mit konstantem Kurs während einer vorgegebenen Zeitdauer und legt einen Weg zurück, der Eigenleg genannt wird. Die jeweils gemessenen Peilwinkel werden mit den geschätzten Peilwinkeln verglichen und eine Peilwinkeldifferenz gebildet, bei deren Minimum der geschätzte Peilwinkel den wahren Peilwinkel bis auf einen Restfehler liefert. Der Restfehler ist abhängig von einer vorgebbaren Schwelle. Eine solche Filteranordnung ist beispielsweise in der DE 34 46 658 C2 beschrieben. Die Iterationszeit dieser Filteranordnung wird maßgeblich durch zusätzliche Eingaben bestimmt. Beispielsweise wird die Anfangsposition oder Stützwerte, die durch Beobachtung oder Meßwerte anderer Sensoren an Bord des Trägerfahrzeugs ermittelt werden, z. B. Seerohrbeobachtungen oder Radarmessungen eingegeben. Aus diesen Stützwerten werden Filterkoeffizienten ermittelt, die zu einer verbesserten ersten Schätzung der Zielposition führen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem ohne Eigenmanöver und ohne Meßwerteingaben anderer Sensoren an Bord des Trägerfahrzeugs eine sichere und den taktischen Anforderungen zeitlich angepaßte Bestimmung der Zieldaten möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Nach einer Zieldetektion werden die richtungsselektiv zu Gruppensignalen zusammengefaßten Empfangssignale der elektroakustischen Wandleranordnung, beispielsweise einer Hufeisenbasis oder Seitenantenne an Bord eines U-Boots als Trägerfahrzeug oder einer von einem Oberflächenschiff oder einem U-Boot nachgeschleppten Schleppantenne, einer Fourier- Transformation unterworfen und die Frequenz von Spektrallinien im Frequenzspektrum der Gruppensignale bestimmt. Die Frequenz der Spektrallinie mit dem größten Pegel oder der Frequenzabstand benachbarter Spektrallinien wird als Empfangsfrequenz zusammen mit dem gemessenen Peilwinkel der Zieldatenschätzung zugrundegelegt. Es werden Zielpositionen geschätzt und dazu geschätzte Peilwinkel ermittelt. Zwischen dem gemessenen und geschätzten Peilwinkel wird eine Peilwinkeldifferenz bestimmt. Außerdem wird aus den gleichen geschätzten Zielpositionen und ihren zeitlichen Änderungen eine Dopplerverschiebung und eine vom Ziel abgestrahlte oder ausgesendete Sendefrequenz geschätzt. Die geschätzte Sendefrequenz wird entsprechend der geschätzten Dopplerverschiebung frequenzverschoben und bildet die geschätzte Dopplerfrequenz von der die Empfangsfrequenz abgezogen wird. Der Unterschied zwischen Empfangsfrequenz und geschätzter Dopplerfrequenz wird als Frequenzdifferenz zusammen mit der Peilwinkeldifferenz für die Bestimmung der Zieldaten nach dem Least-Square-Algorithmus verwendet.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 besteht darin, daß für die Schätzung des Peilwinkels und der Dopplerverschiebung die gleichen Schätzdaten des Ziels, nämlich die geschätzten Zielpositionen verwendet werden. Die für die Ermittlung der Empfangsfrequenz notwendige Frequenzanalyse des Gruppensignals wird üblicherweise in einer Sonar-Empfangsanlage durchgeführt, sie dient beispielsweise der Erhöhung der Peilgenauigkeit oder Zieltrennung mehrerer unter einem Peilwinkel detektierter Ziele oder Klassifizierung von Zielen und stellt somit keinen zusätzlichen Signalverarbeitungsaufwand dar. Aus der gemessenen Empfangsfrequenz und der Annahme einer üblichen Fahrgeschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs ist eine mögliche Sendefrequenz des Ziels als Anfangswert in einfacher Weise zu schätzen. Diese Sendefrequenz ist entweder die Frequenz einer Spektrallinie im Fahrgeräusch des Ziels oder einen ausgesendeten Sendesignals des Ziels. Durch die Einbeziehung der Empfangsfrequenz in die Zieldatenbestimmung ist der Vorteil gegeben, daß eine Zieldatenbestimmung ohne Eigenmanöver des Trägerfahrzeugs in kurzer Zeit möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zwei Ziele, die längere Zeit unter dem gleichen Peilwinkel zum Trägerfahrzeug fahren, getrennt werden können, da ihre Empfangsfrequenzen aufgrund unterschiedlicher Dopplerverschiebungen voneinander abweichen. Die Dopplerverschiebungen weisen einen bemerkenswerten Unterschied auf, weil die Radialgeschwindigkeitskomponenten zwischen Trägerfahrzeug und jedem der beiden Ziele sich unterscheiden müssen, wenn sich der Peilwinkel zu beiden Zielen nicht ändert.

Bewegt sich das Trägerfahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit auf einem sog. Eigenleg, mit konstantem Kurs, so ändert sich die Empfangsfrequenz abhängig von der eigenen radialen Geschwindigkeitskomponente und der in gleiche Richtung weisenden radialen Geschwindigkeit des Ziels. Bei Kenntnis der eigenen Geschwindigkeit kann der Eigenanteil an der Dopplerverschiebung eliminiert werden und einzig und allein der Zielanteil betrachtet werden. Abgesehen von der Frequenzänderung über der Zeit, dem sog. Frequenzhub, findet während der Fahrt längs des Eigenleg eine Peilwinkeländerung über der Zeit statt. Die Zeit, bis Zieldaten stabil geschätzt werden können, nennt man Konvergenzzeit. Die Konvergenzzeit ist um so kürzer, je größer der Frequenzhub beim Durchfahren eines Eigenlegs ist. Versuche mit Meßdaten an Bord eines U- Boots haben gezeigt, daß bei einer Fahrt ohne Eigenmanövern und einem Frequenzhub von wenigen Hertz eine stabile Schätzung des Kurses, der Entfernung und der Geschwindigkeit des Ziels nach weniger als 10 min. erreicht wurde. Dabei betrug die Geschwindigkeit des Ziels 10 kn, die Geschwindigkeit des Trägerfahrzeugs 6 kn, die Anfangsentfernung zwischen Trägerfahrzeug und Ziel 6 km und der Peilwinkel zu Beginn der Messung -45°. Bei einer Schätzung der Zieldaten allein unter Berücksichtigung des Peilwinkels wäre eine Konvergenz nicht erzielbar. Durch die zusätzliche Messung der Empfangsfrequenz und Schätzen einer dopplerverschobenen Sendefrequenz ist eine Zieldatenschätzung möglich und in kurzer Zeit zu erreichen.

In der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird zum Bestimmen der Empfangsfrequenz die bekannte Lofar-Analyse eingesetzt, wie sie beispielsweise in L. Kühnle "Classification and Identification - CAI - by Submarine Sonars", Naval Forces Nov. 1987, S. 27-31, beschrieben ist, daß bei Empfang mit einer Schleppantenne, auch eine Schätzung von Zieldaten sehr weit entfernter Ziele wegen der geringen Dämpfung tieffrequenter Schallwellen im Übertragungsmedium und der guten Bündelung der Schallwellen sinnvoll ist und die Genauigkeit der Messung des Peilwinkels wegen des geringen Öffnungswinkels groß genug ist.

Aus der US-PS 5 425 136 ist ebenfalls ein Verfahren zur Zielverfolgung bekannt, bei dem richtungsabhängig in Zeitintervallen mit einer Frequenzanalyse Lofargramme erstellt und abhängig vom Nutz/Stör-Verhältnis miteinander kombiniert werden. Auftretende Spektrallinien in diesen räumlich kombinierten Lofargrammen kennzeichnen das Ziel.

Steht keine Schleppantenne als elektroakustische Wandleranordnung zur Verfügung, ist es vorteilhaft, die Lofar-Analyse bei Empfang mit einer Seitenantenne, einem sog. Flank-Array, und eine Demon-Analyse bei Empfang mit einer Hufeisenbasis, einem sog. Conformal Array, vorzunehmen, bei der das empfangene Geräusch nach einer Bandpaßfilterung demoduliert wird und Frequenzen von Spektrallinien des demodulierten Signals bestimmt werden. Diese Frequenzen liegen im gleichen Frequenzband wie die über die Lofar- Analyse bestimmten Spektrallinien und werden durch Propellerdrehzahl und Propellerblattzahl verursacht, wie es in dem Artikel Navalforces usw. beschrieben ist.

Bei der Lofar-Analyse und der Demon-Analyse erhält man Frequenzspektren mit mehreren Spektrallinien, wobei die Spektrallinie mit der tiefsten Frequenz die Drehzahl des Propellers kennzeichnet. Falls diese Frequenz nicht empfangen wird, entspricht der Abstand benachbarter Spektrallinien dieser Frequenz. Für die Ermittlung der Zieldaten sind die Frequenzen selbst oder dieser Frequenzabstand als Empfangsfrequenz verwendbar.

Die Genauigkeit der Frequenzanalyse und Bestimmung der Empfangsfrequenz geht unmittelbar in die Genauigkeit der Zieldatenschätzung ein. Gemäß der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4, wird nicht eine einzige Frequenz verwendet, sondern die Frequenzen mehrerer Spektrallinien werden zusammengefaßt und bilden die Empfangsfrequenz. Der Vorteil besteht insbesondere darin, daß nicht für jede Frequenz einzeln Sendefrequenzen und Dopplerverschiebungen geschätzt zu werden brauchen, sondern nur eine einzige Empfangsfrequenz in die Schätzung der Zieldaten eingeht. Dadurch wird der Schätzalgorithmus nicht vergrößert und trotzdem die Zieldatenschätzung optimiert.

Der Vorteil der Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 5, 6 und 7 besteht darin, daß bei Wegfall einer der Spektrallinien keine neue Empfangsfrequenz berechnet zu werden braucht, da sämtliche Frequenzen auf eine gemeinsame fiktive Spektralfrequenz einer Kunstspektrallinie transformiert werden und diese transformierten Frequenzwerte oder ihr Mittelwert Meßwerte der Empfangsfrequenz bilden. Verwendet man eine der Spektrallinien als Kunstspektrallinie, so muß hierfür keine Frequenztransformation durchgeführt werden, andererseits ist bei ihrem Verschwinden während eines Tracks die Schätzung nicht unterbrochen. Bei der Transformation auftretende Frequenzabweichungen der Frequenzwerte von der fiktiven Spektralfrequenz werden durch die Mittelwertbildung ausgeglichen.

Nach der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 8 werden diese Freuqenzabweichungen durch ein Laest-Square-Mean-Verfahren ausgeglichen, indem die transformierten Frequenzwerte auf eine ausgewählte fiktive Spektralfrequenz verschoben werden. Dadurch wird erreicht, daß sämtliche während der Zeitdauer zur Verfügung stehenden Messungen von Spektrallinien genutzt werden, auch wenn einige Spektrallinien zeitweise verschwinden und für die Spektrallinien keine gültigen Messungen geliefert werden. Durch die Transformation der Frequenzen auf eine fiktive Spektralfrequenz einer Kunstspektrallinie ist auch dann eine Zieldatenermittlung möglich, wenn nur eine einzige Spektrallinie einen Beitrag für die fiktive Spektralfrequenz liefert. Diese Signalverarbeitung ist einsetzbar, da alle Spektrallinien eines Ziels prozentual die gleiche Dopplerverschiebung erfahren haben. Durch die Transformation der einzelnen Spektrallinien auf eine gleiche Kunstspektrallinie mit einer fiktiven Spektralfrequenz werden alle während des Tracks auftretenden Unregelmäßigkeiten bei der Frequenzmessung ausgeglichen.

Zur Schätzung der Dopplerfrequenz wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 9 eine Quotientenfunktion aus geschätzten x-y- Komponenten der angenommenen Zielposition bestimmt. Diese mit Fehlern behafteten x-y-Komponenten werden aus einer Anfangsposition des Ziels zuzüglich einem geschwindigkeitsabhängigen Wegterm mit Geschwindigkeitskomponentenfehlern und Wegkomponentenfehlern ermittelt. Die Anfangsposition des Ziels wird beispielsweise unter Berücksichtigung der Reichweite der Sonar- Empfangsanlage unter dem gemessenen Peilwinkel angesetzt. Die so geschätzten x-y-Komponenten werden nach der Zeit differenziert. Außerdem wird der Betrag der geschätzten x-y- Komponenten gebildet.

Das Produkt der x-Komponente multipliziert mit ihrer zeitlichen Ableitung zuzüglich dem Produkt der y-Komponente multipliziert mit ihrer zeitlichen Ableitung wird durch den mit der Schallgeschwindigkeit multiplizierten Betrag der x-y- Komponten geteilt und bildet eine Quotientenfunktion, die gleich der Dopplerverschiebung der geschätzten Sendefrequenz einer vom Ziel abgestrahlten Schallwelle ist. Die geschätzte Sendefrequenz weist einen Sendefrequenzfehler auf. Die geschätzte Dopplerfrequenz wird aus der Differenz der mit dem Sendefrequenzfehler behafteten geschätzten Sendefrequenz abzüglich ihrem Produkt mit der Quotientenfunktion bestimmt. Der Vorteil der Zielschätzung nach Anspruch 9 besteht darin, daß bei der Minimierung der Frequenzdifferenz der Empfangsfrequenz von der geschätzten Dopplerfrequenz die aus möglichen Geschwindigkeitskomponenten geschätzte Zielposition zugrunde gelegt wird. Diese Geschwindigkeitskomponenten entsprechen unter Berücksichtigung der Peilung zum Ziel einer radialen Geschwindigkeitskomponente, die ihrerseits die Dopplerverschiebung der Sendefrequenz des Ziels bewirkt. Durch die Bestimmung und Hinzuziehung der Empfangsfrequenz bestehen die drei entscheidenden Vorteile, nämlich die Möglichkeiten, eine erste Zielposition ohne Eigenmanöver zu bestimmen, mehrere Ziele und ihre Zieldaten unter der gleichen Peilung zu trennen und zu bestimmen sowie Konvergenzzeiten für die Zielpositionsschätzungen zu verkürzen.

Die Wegkomponentenfehler und Geschwindigkeitskomponentenfehler sowie der Sendefrequenzfehler bilden einen Fehlervektor. Nach der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 wird die geschätzte Dopplerfrequenz in eine Taylorreihe nach diesem Fehlervektor entwickelt, deren erstes Glied gleich der gemessenen Empfangsfrequenz ist und deren zweites Glied gleich dem Produkt aus Fehlervektor und Frequenzkoeffizienten ist. Alle weiteren Glieder höherer Ordnung sind vernachlässigbar klein. Die Frequenzkoeffizienten werden durch partielle Differentiation der Quotientenfunktion nach dem Fehlervektor bestimmt. Durch diese Taylorreihenentwicklung ergibt sich ein lineares Schätzmodell, das die Frequenzabweichung zwischen gemessener Empfangsfrequenz und geschätzter Dopplerfrequenz in Abhängigkeit von Fehlern der Eigenposition, Weg- und Geschwindigkeitskomponentenfehlern der x-y-Koordinaten des Ziels und Fehlern der Sendefrequenz angibt. Dieses lineare Schätzmodell kann in Matrizen-Schreibweise dargestellt werden.

Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 11 wird die Peilwinkelschätzung aus den geschätzten x-y-Komponten des Ziels bestimmt, indem ausgehend von der Anfangsposition zu jeder x-y-Komponente der Wegfehler und der geschwindigkeitsabhängiger Wegterm mit Geschwindigkeitskomponentenfehlern addiert werden. Aus den geschätzten x-y-Komponenten wird durch trigonometrische Verknüpfung der Arcustangens des geschätzten Peilwinkels ermittelt. Über eine Taylorreihenentwicklung dieser Arcustangensfunktion wird ein linearer Zusammenhang zwischen der Abweichung zwischen gemessenem Peilwinkel und geschätztem Peilwinkel und den Weg- und Geschwindigkeitskomponentenfehlern hergestellt. Teilkoeffizienten für die Reihenentwicklung werden durch partielle Differentiation dieser trigonometrischen Funktion nach den Wegfehlern und Geschwindigkeitskomponentenfehlern ermittelt. Die Reihenentwicklung wird nach dem ersten Glied abgebrochen und liefert eine Teilkoeffizienten-Matrix, deren Teilkoeffizienten durch ein adaptives Filter ermittelt werden, wie es beispielsweise in DE 34 46 658 C2 beschrieben ist. Durch Multiplikation mit einem Fehlervektor, der hier aus den Weg- und Geschwindigkeitskomponentenfehlern besteht, erhält man die gesuchte Abweichung des gemessenen Peilwinkels vom geschätzten Peilwinkel.

Der Vorteil der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 11 besteht darin, daß der hier betrachtete Fehlervektor der gleiche wie bei der Schätzung der Dopplerfrequenz ist, nur wird hier kein Sendefrequenzfehler berücksichtigt. Die über die Taylorreihenentwicklungen ermittelte Frequenzdifferenz und Peilwinkeldifferenz werden summiert und das Minimum der Summe iterativ bestimmt, das die Zieldaten liefert.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 12 besteht darin, daß durch eine Mittelwertbildung der gemessenen und geschätzten Peilwinkel systematische Peilfehler nicht in die Bestimmung der Zieldaten eingehen. Diese systematischen Peilfehler treten beispielsweise auf, wenn Trägerfahrzeug und Ziel sich nicht in der gleichen Peilebene, z. B. der Horizontalebene, befinden und die einfallenden Schallwellen dagegen einen Winkel, z. B. Elevationswinkel, aufweisen. Mit der Sonar-Empfangsanlage wird dann eine Schalleinfallsrichtung gemessen, die der Projektion der räumlichen Einfallsrichtung auf die Peilebene entspricht. Dieser systematische Peilfehler ist auch in den geschätzten Peilwinkeln enthalten. Indem jeweils der Peilwinkel-Mittelwert und der Schätzwinkel-Mittelwert gebildet werden und von den jeweiligen gemessenen und geschätzten Peilwinkeln abgezogen werden, wird auch dieser systematische Peilfehler von jedem gemessenen und geschätzten Peilwinkel abgezogen, so daß bei der Suche des Minimums der quadratischen Abweichungen der systematische Peilfehler nahezu nicht mehr beteiligt ist.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 12 besteht darin, daß es gleichgültig ist, ob dieser systematische Peilfehler durch einen Elevationswinkel hervorgerufen wird oder beispielsweise durch Kompaßfehler oder Meßfehler einer an Bord des Trägerfahrzeugs befindlichen Navigationsanlage zum Bestimmen der Eigenposition. Weiterhin von Vorteil ist es, daß systematische Peilfehler durch Mehrwegeausbreitung der Schallwellen vom Ziel aufgrund von Reflexionen an der Oberfläche und/oder am Boden des Meeresgebiets oder an Wasserschichtungen ebenfalls nicht in die Bestimmung der Zieldaten eingehen. Unbekannte Schräglagen der Wandleranordnung der Sonar-Empfangsanlage durch Wasserströmungen führen ebenfalls nicht zu einer fehlerhaften Bestimmung der Zieldaten, obwohl sie die Bestimmung der Eigenposition verfälschen und systematische Peilfehler bei der Bestimmung des Peilwinkels hervorrufen. Diese verbesserte Bestimmung der Zielposition ist auch dann gewährleistet, wenn ein systematischer Peilfehler nicht ständig auftritt. Bei der Ermittlung der Koeffizienten-Matrix wird nun eine Arcustangensfunktion und der Mittelwert der Arcustangensfunktion zugrundegelegt, wobei jeder Koeffizient aus dem Teilkoeffizienten und seinem Mittelwert besteht. Durch Multiplikation mit dem Fehlervektor erhält man die gesuchte Abweichung der Differenz aus gemessenem Peilwinkel abzüglich seinem Peilwinkel-Mittelwert und geschätzten Peilwinkel abzüglich seinem Schätzwinkel-Mittelwert, die keinen systematischen Fehler mehr aufweist.

Durch die Mittelwertbildung der Teilkoeffizienten und die Differenzbildung zu den aktuellen Teilkoeffizienten wird ein systematischer Fehler bei der Peilwinkelbestimmung eliminiert.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel für ein verfahren zum passiven Bestimmen von Zieldaten mit einer Sonar-Empfangsanlage näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Szenario für die Bestimmung von Zieldaten,

Fig. 2 ein x-y-Koordinatensystem mit Zieldaten,

Fig. 3 ein Frequenzdiagramm,

Fig. 4 Fehlerplots für eine Zieldatenbestimmung ohne Manöver,

Fig. 5 Fehlerplots, für eine Zieldatenbestimmung bei vorhandenem systematischen Peilfehler,

Fig. 6 ein Blockschaltbild,

Fig. 7 zeitlicher Verlauf einer in See gemessenen Empfangsfrequenz,

Fig. 8a-d Zieldatenplots, basierend auf Meßdaten mit einer Schleppantenne,

Fig. 9 und Fig. 10 Frequenzen von gemessenen Spektrallinien und einer Kunstspektrallinie über der Zeit,

Fig. 11 Zieldatenplots, basierend auf Meßdaten einer Schleppantenne mit Eigenmanövern.

Fig. 1 zeigt ein Szenario für die passive Bestimmung von Zieldaten. Mit einer elektronischen Wandleranordnung, z. B. einer Linearantenne oder einer Schleppantenne, einer Sonar- Empfangsanlage an Bord eines Trägerfahrzeugs wird ein von zwei Zielen abgestrahltes Geräusch aus der gleichen Einfallsrichtung empfangen und Peilwinkel B_i gemessen. Das eine Ziel befindet sich auf einem Kurs 1, das zweite Ziel auf einem Kurs 2, die in einem x-y-Koordinatensystem dargestellt sind. Zur Zeit t₀ befindet sich das Trägerfahrzeug im Ursprung 0/0 und die Ziele unter einem Peilwinkel in Richtung der y-Achse, die gleichzeitig die Nordrichtung N₀ als Bezugsrichtung angibt. Zum Zeitpunkt t₁ ist das Trägerfahrzeug auf seinem Kurs 3 mit konstanter Eigengeschwindigkeit, das eine Ziel auf seinem Kurs 1 mit einer Geschwindigkeit v₁ und das andere Ziel auf seinem Kurs 2 mit der Geschwindigkeit v₂ zu den nächsten Zielpositionen gefahren. Der gemessene Peilwinkel B_1mess zu beiden Zielpositionen ist gleich und wird für eine erste Schätzung der Zieldaten x_est, y_est verwendet.

Fig. 2 zeigt das x-y-Koordinatensystem aus Fig. 1 zu einem Zeitpunkt t. Das Trägerfahrzeug mit der Wandleranordnung befindet sich in der Eigenposition x_E, y_E, die zugleich den Ursprung des x-y-Koordinatensystems bildet. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Ziel an der Position P_true. Es hat seine Anfangsposition P₀ bei den Koordinaten x_0true, y_0true mit der Geschwindigkeit v_xtrue, v_ytrue verlassen und die Wegkomponenten v_xtrue.Δt und v_ytrue.Δt zurückgelegt. Die neue wahre Position P_true des Ziels führt zu der Messung eines Peilwinkels B_mess. Die neue Position P_true wird durch eine geschätzte Position P_est und Berechnen des zugehörigen geschätzten Peilwinkels B_est iterativ durch Minimieren der Abweichung zwischen B_mess und B_est bestimmt.

Es wird angenommen, daß sich das Ziel von der Koordinate x_0true mit einem Wegfehler Δx₀ zur Koordinate R_xest in x- Richtung mit einer Geschwindigkeit v_x und einem Geschwindigkeitskomponentenfehler Δv_x in einem Zeitintervall Δt bewegt. In y-Richtung hat sich das Ziel während des Zeitintervalls Δt von der Koordinate y_0true zur Koordinate R_yest mit einem Wegfehler Δy₀ und einer Geschwindigkeit v_yest mit einem Geschwindigkeitskomponentenfehler Δv_y bewegt. Die Koordinaten des Ziels werden geschätzt zu:

R_xest = x_0true + v_x.Δt + (Δx₀ + Δv_x.Δt) = R_xtrue + ΔR_x (A)

R_yest = y_0true + v_y.Δt + (Δy₀ + Δv_y.Δt) = R_ytrue + ΔR_y (B)

mit den Fehlern ΔR_x, ΔR_y. Nach Umformung erhält man

R_xtrue = R_xest - ΔR_x = R_xest - (Δx₀ + Δv_x.Δt) (a)

R_ytrue = R_yest - ΔR_y = R_yest - (Δy₀ + Δv_y.Δt) (b)

Daraus wird der geschätzte Peilwinkel B_est berechnet:

Die wahre Position P_true ist bestimmt, wenn die Fehler ΔR_x = Δx₀ + Δv_x.Δt und ΔR_y = Δy₀ + Δv_y.Δt gleich Null sind. Dann sind die Geschwindigkeitskomponenten v_x und v_y richtig geschätzt, die zur Einnahme der neuen wahren Position P_true des Ziels geführt haben. Der zugehörige geschätzte Peilwinkel B_est ist gleich dem wahren Peilwinkel B_true und beträgt:

Die Zieldaten P = (x₀, y₀, v_x, v_y) sind richtig geschätzt, wenn der Fehlervektor gleich Null ist:

ΔP = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y) = 0 mit

ΔP₁ = Δx₀, Δp₂ = Δy₀, Δp₃ = Δv_x und Δp₄ = Δv_y.

Für die Zieldatenbestimmung wird die Peilwinkeldifferenz zwischen geschätztem und gemessenem Peilwinkel minimiert:

(B_iest - B_imess) = min

Die Zielposition P_true ist bis auf einen Restfehler, der durch eine das Minimum bestimmende Schwelle festgelegt wird, bestimmt. Dann ist

B_iest ≈ B_itrue

Das Einbeziehen einer geschätzten Dopplerfrequenz macht eine Positionsschätzung ohne Eigenmanöver durch gleichzeitiges Minimieren einer Frequenzdifferenz zwischen gemessener Empfangsfrequenz und geschätzter Dopplerfrequenz unter Berücksichtigung der Peilwinkelschätzung gemäß I möglich.

Das Ziel hat die Anfangsposition P₀, mit der Geschwindigkeit v = v₁ gemäß Fig. 2 verlassen. Bei Kenntnis des wahren Peilwinkels B_true werden die Geschwindigkeitskomponenten v_x und v_y des Ziel in eine radiale Geschwindigkeitskomponente V_R umgerechnet, die in die Richtung zwischen der Eigenposition x_E, y_E und der wahren Zielposition P_true weist.

V_R = V_R' + V_R" = v_y.cosB_true + v_xsinB_true (c)

Diese radiale Geschwindigkeitskomponente V_R berücksichtigt die vorzeichenrichtig addierten radialen Geschwindigkeitskomponenten des Ziels V_RZ und des Trägerfahrzeugs V_RE

V_R = V_RE - V_RZ (d)

Wegen der radialen Geschwindigkeitskomponente V_R wird eine im Sendesignal oder im Geräusch des Ziels enthaltene und ausgesendete Sendefrequenz F_strue frequenzverschoben und eine dopplerbehaftete Sendefrequenz als Empfangsfrequenz F_true empfangen, wie im Kapitel 7.4 "Der Dopplereffekt", Seite 334, 335 in dem Lehrbuch "Experimentalphysik I", 2. Teil, Edgar Lüscher, Hochschultaschenbuch, Bibliographisches Institut, Mannheim. 1967 beschrieben, gilt für die Dopplerfrequenz:

Über eine Reihenentwicklung erhält man nach Einsetzen von Gl. (d) für die Empfangsfrequenz, die gleich der wahren dopplerbehafteten Sendefrequenz ist:

Die Empfangsfrequenz ist abhängig von einer Quotientenfunktion, die proportional der radialen Geschwindigkeitskomponente V_R ist:

Die radiale Geschwindigkeitskomponente V_R ist gemäß Gleichung (c) abhängig von den Geschwindigkeitskomponenten in x- und y- Richtung v_x und v_y und vom Peilwinkel B_true:

V_R = V_R' + V_R" = v_y.cos B_true + v_xsin B_true (c)

Die Geschwindigkeitskomponenten v_x und v_y sich gleich der zeitlichen Änderung der x-y-Koordinaten des Ziels:

Mit den Gleichungen (a) und (b) erhält man:

v_x = _xtrue = _xest - Δ_x (e)

v_y = _ytrue = _yest - Δ_y (f)

Unter Hinzuziehung des wahren Peilwinkels B_true zwischen der Bezugsrichtung N₀ und der Richtung zur wahren Zielposition P_true

erhält man mit den Gleichungen (a) und (b) für die wahre Entfernung R_true zum Ziel

dabei ist

ΔR_x = Δx₀ + Δv_x.Δt

ΔR_y = Δy₀ + Δv_x.Δt.

In Gleichung (c) für die radiale Geschwindigkeitskomponente V_R werden jetzt die Gleichungen (e), (f), (g), (h) und (i) eingesetzt, und man erhält für die Dopplerverschiebung die Quotientenfunktion

in Abhängigkeit vom Fehlervektor ΔP = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y)

Die Sendefrequenz F_s, die vom Ziel abgestrahlt wird, wird mit einem Fehler ΔF_s geschätzt.

F_sest = F_strue + ΔF_s

F_strue = F_sest - ΔF_s

und zusammen mit der Quotientenfunktion Q gemäß Gleichung XXII in die Gleichung XX für die Empfangsfrequenz, die gleich der wahren Dopplerfrequenz F_true ist, eingesetzt.

F_true = (F_sest - ΔF_s)[1 - Q(Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y)] (XXIII)

Die Dopplerfrequenz F_true wird mit einer Fehlerdifferenz ΔF als Fehler geschätzt.

F_true = F_est - ΔF

und in Gleichung XXIII eingesetzt. Für jede Peilwinkelmessung i muß die Dopplerfrequenz aus der geschätzten Position ermittelt werden:

F_iest - ΔF_i = G_i(ΔP) = (F_sest - ΔF_s)[1 - Q(Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y)] (XXIV)

Der Fehlervektor ΔP ist um einen weiteren Fehlerterm ΔF_s für die Schätzung der Sendefrequenz F_sest zu erweitern:

ΔP_l = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y, ΔF_s) (XXV)

Um diesen Fehlervektor ΔP wird zum Schätzen der Dopplerfrequenz die Schätzgleichung XXIV in eine Taylorreihe entwickelt und nach dem zweiten Glied abgebrochen:

Dabei ist die geschätzte Dopplerfrequenz F_iest gleich der gemessenen Empfangsfrequenz F_imess für ΔP = 0:

G_i(ΔP)|_Δ _P=0 = F_iest|_Δ _P=0 = F_imess (XXVII)

Gleichung XXVII wird in Gleichung XXVI eingesetzt und man erhält für die geschätzte Dopplerfrequenz:

eine Summe, die gleich der gemessenen Empfangensfrequenz F_imess zuzüglich der Frequenzdifferenz ΔF_i ist.

G_i(ΔP) = F_imess + ΔF_i = F_iest

ΔF_i = F_imess - F_iest.

Zum Bestimmen der Dopplerfrequenz muß die Frequenzdifferenz ΔF_i minimiert werden:

Durch partielle Differentiation der Schätzgleichung XXIV, in welche die Quotientenfunktion Q(ΔP) entsprechend Gleichung XXII eingesetzt wird, nach dem Fehlervektor ΔP_l gemäß Gleichung XXV erhält man für die Frequenzkoeffizienten g_il folgende Beziehungen:

Sämtliche Frequenzkoeffizienten g_il werden mit dem jeweiligen Fehler des Fehlervektors ΔP_l gemäß Gleichung IXXX multipliziert und die Frequenzdifferenz durch Schätzen der x- y-Komponenten der Position des Ziels zusammen mit der Peilwinkeldifferenz gemäß Gleichung I iterativ minimiert.

Der geschätzte Peilwinkel nach Gleichung I

wird ebenfalls in eine Taylorreihe um den Fehlervektor ΔP_l = (Δx₀, Δy₀, ΔV_x, Δv_y) entwickelt, der zwar nicht den Frequenzfehler ΔF_s enthält, aber ansonsten gleich den in Gleichung XXV aufgegebenen Fehlervektor ist, und nach dem zweiten Glied abgebrochen:

Mit

als Teilkoeffizienten erhält man:

dabei ist der geschätzte Peilwinkel B_iest gleich dem gemessenen Peilwinkel B_imess, wenn der Fehlervektor ΔP gleich Null ist.

B_iest|_Δ _P=0 = B_imess VI

Die Teilkoeffizienten h_il in Gleichung V werden durch partielle Differentiation des geschätzten Peilwinkels B_iest gemäß IV nach den Wegfehlern und Geschwindigkeitskomponentenfehlern des Fehlervektors ΔP = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y) bestimmt:

Die Differentiation nach ΔP₂ = Δy₀ ergibt den Teilkoeffizienten:

Die Koeffizienten h_i3 und h_i4 erhält man durch partielle Differentiation nach den Geschwindigkeitskomponentenfehlern Δv_x = ΔP₃, Δv_y = ΔP₄ und Einsetzen von (1) und (2)

Die Teilkoeffizienten h_i3 und h_i4 sind gleich dem Produkt aus Zeitintervall Δt_i und den vorher bestimmten Teilkoeffizienten h_i1 und h_i2.

Durch Einsetzen von (1), (2), (3), (4) in Gleichung V erhält man die Peilwinkeldifferenz D und deren Quadrat δ:

Die Schätzgleichung für die Zieldaten wird mit den Gleichungen VII und IXXX gebildet.

Mit jeder Messung und Schätzung i des Peilwinkels B_imess, B_iest und Messung der Empfangsfrequenz F_imess und Schätzung der Dopplerfrequenz F_iest wird iterativ über l_k Messungen und Schätzungen das Minimum bestimmt:

Die dem Minimum zugrundeliegenden geschätzten Zieldaten geben Position, Geschwindigkeit und Kurs des Ziels mit dem Zieldatenvektor P = (x, y, v_x, v_y, F) an.

Fig. 3 zeigt ein Frequenzdiagramm mit Empfangsfrequenzen F_Z1, F_Z2, F_Z3, F_Z4 über der Zeit t von vier Zielen, die alle die gleiche Sendefrequenz F_s = 1000 Hz abstrahlen. Jede Empfangsfrequenz F_Z1, F_Z2, F_Z3, F_Z4 setzt sich aufgrund der relativen, radialen Geschwindigkeitskomponente V_R von Trägerfahrzeug und Ziel aus einem Zielanteil und einem Eigenanteil zusammen. Der Frequenzhub während des An- und Ablaufens des Ziels ist bei konstanter Fahrgeschwindigkeit jedes Ziels abhängig vom gemessenen Peilwinkel B_imess. An dem Ort, wo die Empfangsfrequenzen F_ZE1, F_ZE2, F_Z3, F_Z4 gleich der Sendefrequenz F_S = 1000 Hz sind, ist die radiale Geschwindigkeitskomponente gleich Null und der Ort der nächsten Annäherung CPA erreicht. Für das erste Ziel Z₁ ist die Dopplerverschiebung der Sendefrequenz F_S und damit der Frequenzhub der Empfangsfrequenz F_Z1 von 3 Hz und die Passierzeit des CPA von 7 min. am kleinsten. Für das vierte Ziel ist die Dopplerverschiebung und der Frequenzhub der Empfangsfrequenz F_Z4 am größten, da das vierte Ziel sich der empfangenden Wandleranordnung auf einem Kollisionskurs nähert. Der Frequenzhub entspricht der Quotientenfunktion Q gemäß Gleichung XXI und XXII bzw. der relativen, radialen Geschwindigkeitskomponente V_R zwischen Ziel und Trägerfahrzeug.

Der Schätzgleichung XXX werden in jedem Zeitintervall Δt gemessene Peilwinkel B_imess und Empfangsfrequenzen F_imess zugrundegelegt und daraus die Peilung, Entfernung, Geschwindigkeit und Kurs des Ziels als Zieldaten iterativ bestimmt.

Fig. 4 gibt Fehlerplots für eine Zieldatenbestimmung an, bei der zu Beginn der Fahrt die Entfernung zum Ziel 20 km, die Peilung zum Ziel B₀ = 0° gegenüber der Nordrichtung N₀, die Geschwindigkeit 11,3 m/s = 22 kts, der Kurs des Ziels 155°, der Eigenkurs des Trägerfahrzeugs 25° und seine Geschwindigkeit 6 kts betragen.

Fig. 4a zeigt, daß die Peilfehler während der gesamten Fahrt innerhalb eines Fehlerschlauchs von ±0,5° liegen. Der relative Entfernungsfehler ΔR/% über der Zeit ist in Fig. 4b angegeben. Die Schätzung der Entfernung R konvergiert nach 15 min. und weist bei einer Mittelung über 20 Monte-Carlo-Runs nach 20 min. eine Streuung von weniger als ±10% auf, ohne daß ein Manöver gefahren wurde. Der Geschwindigkeitsfehler ist in Fig. 4c gezeigt, er liegt nach 17,5 min. bei einer Zielgeschwindigkeit von 11,3 m/s. in einem Fehlerschlauch von ±1 m/s. Der Kurs ist bereits nach 10 min. stabil bestimmt und liegt in einem Fehlerschlauch von K = ±10°, wie in Fig. 4d gezeigt.

Eine Verfälschung der Messung des Peilwinkels B_imess durch einen systematischen Peilfehler ϑ wird durch Einbeziehung einer Mittelwertbildung der gemessenen und geschätzten Peilwinkel während der Fahrt des Trägerfahrzeugs mit konstantem Kurs und konstanter Geschwindigkeit längs eines sog. Eigenlegs eliminiert. Dieser systematische Peilfehler ϑ tritt beispielsweise dann auf, wenn die Bezugsrichtung No' z. B. durch fehlerhafte Lagebestimmung der Wandleranordnung nicht exakt in die Nordrichtung No weist, wie in Fig. 2 gezeigt. Der systematische Peilfehler ϑ kann durch Fehler in der Kompaßanzeige, durch Schalleinfall in einem Neigungswinkel zur Peilebene oder bei Verwendung einer Schleppantenne durch Wasserströmungen oder Strömungseinflüsse des Propellers des schleppenden Trägerfahrzeugs hervorgerufen werden. Der Peilwinkel B_imess wird jetzt gegen die fehlerhafte Nordrichtung N₀' gemessen und ist um den Peilfehler ϑ zu groß.

Zur Eliminierung des systematischen Peilwertes ϑ, wird ein Peilwinkelmittelwert über l_k Messungen des Peilwinkels B_imess gebildet, die im Abstand des Zeitintervalls Δt_i gemessen werden.

und ein Schätzwinkel-Mittelwert des geschätzten Peilwinkels B_iest gemäß Gleichung I gebildet:

Anschließend wird als Schätzdifferenzwert die Differenz aus dem aktuell geschätzten Peilwinkel B_iest nach Gleichung I und dem Schätzwinkel-Mittelwert gemäß Gleichung II je Eigenleg k gebildet:

Der Schätzdifferenzwert F k|i wird in eine Taylorreihe um dem Fehlervektor ΔP_l = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y) entwickelt und nach dem zweiten Glied abgebrochen:

Mit

als Koeffizienten erhält man:

dabei ist

der Meßdifferenzwert aus aktuell gemessenem Peilwinkel B_imess und dem Peilwinkel-Mittelwert aller auf einem Eigenleg k gemessenen Peilwinkel B_mess. Die Koeffizienten γ k|il in Gleichung V werden durch partielle Differentiation des Schätzdifferenzwerts F_i gemäß IV nach den Wegfehlern und Geschwindigkeitskomponentenfehlern des Fehlervektors ΔP = (Δx₀, Δy₀, Δv_x, Δv_y) bestimmt. Die Koeffizienten γ k|i1 setzen sich aus den Teil-Koeffizienten h k|i1 und dem zugehörigen Mittelwert zusammen. Die Teilkoeffizienten h_il sind in den Gleichungen (1), (2), (3), (4) abgeleitet worden. Die Koeffizienten lauten:

Durch Einsetzen der Koeffizienten γ_il in Gleichung V erhält man die Differenz aus dem Schätzdifferenzwert F k|i gemäß III und dem Meßdifferenzwert F k|i|_Δ _P=0 gemäß VI als Peilwinkeldifferenz:

Die Peilwinkeldifferenz gemäß Gleichung VIII und die Frequenzdifferenz gemäß Gleichung IXXX werden der Zieldatenbestimmung zugrundegelegt und über l_k Messungen und Schätzungen iterativ eliminiert:

Fig. 5 zeigt Fehlerplots bei einer Schätzung der Zieldaten gemäß Gleichung VIII, bei dem vom Trägerfahrzeug Eigenmanöver gefahren werden müssen, da keine Frequenzmessungen und Schätzungen zut Zieldatenanalyse hinzugezogen wurden.

Fig. 5a zeigt über der Zeit t den systematischen Peilfehler ϑ. Er beträgt während des Durchfahrens eines ersten Eigenlegs ungefähr 1,2°. Das erste Eigenmanöver M1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Peilfehler von -1,2° auf + 1,2° nach Abschluß des Manövers und durchfahren des zweiten Eigenlegs gesprungen ist. Beim nächsten Eigenmanöver M2 nach 8 min springt der Peilfehler auf ca. -1,2° und bleibt unverändert während der Messungen längs des nächsten Eigenlegs. Die Eigenmanöver M1, M2, . . . M5 sind jeweils durch senkrechte Striche im oberen Bereich des Fehlerplots angegeben und durchnumeriert.

Nach 15 min und drei Eigenmanövern sind Entfernungsfehler ΔR/% gemäß Fig. 5b, Geschwindigkeitsfehler Δv/m/s gemäß Fig. 5c und Kursfehler K daß gemäß Fig. 5d innerhalb eines üblichen Fehlerschlauchs.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Sonar-Empfangsanlage zum Bestimmen der Zieldaten P mit einer adaptiven Filteranordnung zur Auswertung gemessener Peilwinkel B_imess und Empfangsfrequenzen F_imess. Empfangssignale einer Wandleranordnung 10 werden in einem Richtungsbildner 11 durch Laufzeit- oder Phasenkompensation zu Gruppensignalen zusammengefaßt und ein Ziel unter einem Peilwinkel B_imess mit einer Meßschaltung 12 detektiert. Die Meßschaltung 12 wird von einer Steuerschaltung 13 im Abstand von Zeitintervallen Δt_i angesteuert. Die gesamte Signalverarbeitung erfolgt im Abstand der Zeitintervalle Δt_i. Der Meßschaltung 12 ist eine Schätzschaltung 15 nachgeordnet, die als weitere Eingangsdaten die Nordrichtung aus einer Kompaßeinrichtung 16 als Bezugsrichtung N₀, die Eigenposition x_E y_E der Wandleranordnung 10 aus einer an Bord befindlichen Navigationsanlage 17, eine Anfangsposition P₀ = (x₀, y₀) des Ziels aus einer Startzustandsschaltung 18, Geschwindigkeitskomponenten v_ix und v_iy in x- und y-Richtung sowie einen Fehlervektor ΔP₀ = (Δ_x0, Δ_y0, Δ_vx, Δ_vy, ΔF_s) aus einer Schätzanordnung 20. Aus diesen Eingangsdaten werden in der Schätzschaltung 15 entsprechend den Schätzgleichungen (A) und (B) Wegkomponenten R_xiest, R_yiest und Wegfehler ΔR_xi, ΔR_yi geschätzt. Aus diesen Schätzwerten wird in einer Arcustangensschaltung 21 ein geschätzter Peilwinkel B_iest gemäß Gleichung I berechnet.

In einer Peilwinkeldifferenzschaltung 23, die der Schätzschaltung 15 nachgeordnet ist, werden die von den geschätzten Wegkomponenten R_xiest, R_yiest und ihren Fehlern ΔR_x, ΔR_y abhängigen Teilkoeffizienten h_i1 gemäß Gleichungen (1), (2), (3), (4), sowie deren Mittelwerte gebildet, um daraus die Koeffizienten γ k|il gemäß Gleichungen (5), (6), (7), (8) zu errechnen und zu Peilwinkeldifferenzen gemäß den Schätzgleichung VII und VIII zusammenfassen:

Über i = l_k Messungen je Eigenleg, deren Zahl l_k in einer Steuerschaltung 60 vorgegeben wird, werden die gemessenen und geschätzten Peilwinkel B_imess und B_iest ausgewertet. Die Zeitdauer l_k.Δt gibt die Filterlänge an.

Die Gruppensignale am Ausgang des Richtungsbildners 11 werden in einer Frequenzanalyse-Schaltung 24 analysiert. Die ermittelte Empfangsfrequenz wird einer Frequenzdifferenzschaltung 25 zugeführt, die der Schätzschaltung 15 nachgeordnet ist. Aus den geschätzten Wegkomponenten R_xiest, R_yiest und ihren zeitlichen Änderungen _xiest und _yiest sowie den Fehlern ΔR_xi, ΔR_yi und Δ_xi und Δ_yi wird die Frequenzdifferenz ΔF_i entsprechend der Schätzgleichung IXXX ermittelt:

Die Ausgänge der Peilwinkeldifferenzschaltung 23 und der Frequenzdifferenzschaltung 25 sind mit einer Iterationsschaltung 30 verbunden, in der iterativ das Minimum der Summe aus Peilwinkeldifferenz und Frequenzdifferenz oder ihrer quadrierten Differenzwerte entsprechend den Schätzgleichungen

gebildet wird. Die Minimierung wird solange durchgeführt, bis der Fehlervektor ΔP_l eine untere Schwelle ΔP_l kleiner gleich ΔP_min unterschreitet.

Zu jedem gemessenen Peilwinkel B_imess werden in der Schätzschaltung 15 Wegkomponenten R_xest und R_yest sowie Wegfehler ΔR_x und ΔR_y solange ermittelt, bis der Fehlervektor ΔP_l eine untere Schwelle ΔP_l ≦ ΔP_min unterschreitet. Bis auf einen durch die Schwelle festgelegten Restfehler sind dann der geschätzte Peilwinkel B_est gleich dem wahren Peilwinkel B_true und die geschätzten Weg- und Geschwindigkeitskomponenten R_xest, R_yest, v_xest, v_yest gleich den wahren Weg- und Geschwindigkeitskomponenten R_ytrue, R_ytrue, v_xtrue, v_ytrue und die geschätzte Dopplerfrequenz F_iest gleich der wahren Dopplerfrequenz F_true. Die dafür eingesetzte Schwellenschaltung 31 ist der Iterationsschaltung 30 nachgeschaltet und steuert die Schätzanordnung 20 an. Bei Unterschreiten der Schwelle ΔP_min werden die Zieldaten P in einer Anzeige 100 dargestellt.

Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Empfangsfrequenz F_z1 einer vom Ziel abgestrahlten Spektrallinie mit der Sendefrequenz F_s = 1000 Hz, wenn mit dem Trägerfahrzeug der Wandleranordnung ein Eigenmanöver gefahren wird. Für die Messung ist das Manöver M1 der Schleppantenne maßgeblich, das zu einer Zeit t = 15 min eingeleitet wird, nachdem das Ziel zur Zeit t = 7,5 min den Ort größter Annäherung CPA erreicht hatte, bei dem die Empfangsfrequenz F_z1 gleich der Sendefrequenz F_s ist. Zu Beginn der Messung betrug die Empfangsfrequenz F_Z1 = 1003,8 Hz und nach 15 min 996,3 Hz. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich die Schleppantenne aufgrund des Eigenmanövers M1 zu drehen und die Empfangsfrequenz F_z1 steigt wieder auf 998 Hz an. Am Ende des Eigenmanövers nimmt die Empfangsfrequenz F_z1 über der Zeit t wieder ab.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Hinzuziehen des zeitlichen Verlaufs der Empfangsfrequenz F_Z1 gemäß Fig. 7 bestimmten Zieldaten sind den Diagrammen in Fig. 8 zu entnehmen. In dem zugrundeliegenden Szenario wird, wie Fig. 7 zeigt, nach 15 min das Eigenmanöver durchgeführt. Fig. 8a zeigt, daß bereits nach 3 min der Kurs des Ziels, der zwischen 28° und 34° liegt, stabil geschätzt wird. Fig. 8b zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschätzte Entfernung R zum Ziel, die ebenfalls nach weniger als 2,5 min konvergiert. Man sieht, daß die Entfernung R innerhalb der ersten Minuten abnimmt und nach 7,5 min der CPA erreicht ist. Anschließend wird die Entfernung R zum Ziel wieder größer. Fig. 8c zeigt den Verlauf der geschätzten Sendefrequenz F_s ≈ 1000 Hz über der Zeit. Nach 15,5 min ist die Kurve unterbrochen, weil zu diesem Zeitpunkt das Eigenmanöver M1 der Schleppantenne eingeleitet wird und während dieses Kursmanövers M1 keine Meßdaten ausgewertet werden. Aus Fig. 8d ist ersichtlich, daß bereits nach 3 min die Geschwindigkeit v/_m/s des Ziels sicher geschätzt wird, die zwischen 4,8 und 5,1 m/s schwankt.

Für die Ermittlung der Zieldaten in Fig. 8 wurde eine Filterlänge von 30 min benutzt, d. h. gemessene Peilwinkel B_imess und Empfangsfrequenzen F_imess, die älter als 30 min sind, wurden nicht mehr verwendet. Die Zieldatenplots in Fig. 8 zeigen aber, daß durch Ausnutzen von Frequenzinformationen die Zieldaten in weniger als 5 min sicher geschätzt werden können, so daß man auch mit einer Filterlänge oder Zeitdauer von z. B. 5 min arbeiten kann. Das hat bei Zielmanövern den Vorteil, daß ohne Bedienungseingriff die Zieldaten 5 min nach dem Zielmanöver wieder sicher geschätzt werden können.

In der Frequenzanalyseschaltung 24 werden die Gruppensignale des mit der Wandleranordnung 10 empfangenen Geräuschs analysiert. Bei Einsatz einer linearen Seitenantenne oder einer Schleppantenne als Wandleranordnung 10 wird beispielsweise ein Lofargramm erstellt, bei dem tieffrequente Spektrallinien des empfangenen Geräusch erkannt und ihre Frequenzen F_i bestimmt werden. Ebenfalls ist bei Verwendung einer Seitenantenne, einer sog. Flank-Array, eine Demon- Analyse der Richtcharakteristiksignale am Ausgang des Richtungsbildners 11 durchzuführen, bei der das empfangene Geräusch nach einer Bandpaßfilterung demoduliert wird. Die modulierende Frequenz wird analysiert und liefert Spektrallinien bei den gleichen Frequenzen wie das Lofargramm. Dieses Spektrum mit Grundfrequenz und ihren Harmonischen wird durch die Drehzahl des das Wasserfahrzeug antreibenden Propellers verursacht.

Die Spektralanalyse liefert zu Beginn des Szenarios beispielsweise gemessenen Frequenzen F₁ = 1045 Hz und F₂ = 1005 Hz zweier Spektrallinien. Ihren zeitlichen Verlauf zeigt Fig. 9. Beide gemessenen Frequenzen F₁ und F₂, die zu den unbekannten, abgestrahlten Sendefrequenzen F_S1 = 1000 Hz und F_S2 = 1040 Hz gehören, stammen vom gleichen Ziel und sind somit prozentual mit der gleichen Dopplerverschiebung behaftet. Sie werden zu einer Kunstspektrallinie zusammengefaßt und dann der Zieldatenanalyse zur Auswertung zugeführt. Die fiktive Spektralfrequenz der Kunstspektrallinie wird beispielsweise mit F_kunst = 1030 Hz festgelegt. Zur Ermittlung der Empfangsfrequenz F_imess werden mehrere im Zeitabstand Δt gemessenen Frequenzen F₁ erfaßt, zusammengefaßt und für gültig erklärt. Diese gültige Frequenz F_g1 wird zur Transformation der gemessenen Frequenzen F_1i benutzt, indem die fiktive Spektralfrequenz F_kunst durch die gültige Frequenz F_g1 geteilt und mit der momentan gemessenen Frequenz F_1i multipliziert wird. So erhält man Frequenzwerte der auf die Kunstspektrallinie transformierten Frequenz F_k1 als Meßwerte der Empfangsfrequenz F_imess, die in sehr engen Grenzen um die fiktive Spektralfrequenz F_kunst = 1030 Hz schwanken.

Die zweite gemessene Frequenz F₂ beträgt 1005 Hz und wird auf die gleiche fiktive Spektralfrequenz F_kunst = 1030 Hz umgerechnet, indem die fiktive Spektralfrequenz F_kunst = 1030 Hz durch die aus gültigen Messungen stammende Frequenz F_g2 geteilt und mit der momentan gemessenen Frequenz F_2i multipliziert wird:

Fig. 9 zeigt neben den gemessenen Frequenzen F_1i und F_2i die transformierten Frequenzen F_k1 und F_k2 über der Zeit t, die einen Offset von ca. 2,7 Hz als Abweichung zueinander aufweisen. Die transformierte Frequenzen F_k2 wird um die mittlere Abweichung in Richtung der transformierten Frequenz F_k1 verschoben oder umgekehrt. Das Ergebnis zeigt Fig. 10. Der Verlauf der Spektralfrequenz F_k wird als Empfangsfrequenz F_imess der Zieldatenanalyse zugeführt.

Ergebnisse der Zieldatenanalyse unter Hinzuziehung der Spektralfrequenz F_k als Empfangsfrequenz F_imess zeigen die Diagramme in Fig. 11. Fig. 11a zeigt den Peilwinkel B über der Zeit t/min. Bis zum ersten Manöver M1 nach 8 min sind bereits die ersten Entfernungsschätzungen zum Ziel stabil, wie Fig. 11b zeigt. Die Entfernung R zwischen Trägerfahrzeug mit Wandleranordnung und dem Ziel beträgt nach 5 min 7 km. Fig. 11c zeigt die Geschwindigkeit v/m/s des Ziels über der Zeit t, die ebenfalls nach 3 min stabile Werte von 3 m/s bis 5 m/s annimmt.

Nur der Kurs ist in dieser Zeit noch nicht klar bestimmbar, wie Fig. 11d zeigt. Aber auch bevor das erste Manöver M1 gefahren wird, ist der Kurs nach 7 min. sicher geschätzt. Nach 8 min. führt das Trägerfahrzeug ein Geschwindigkeitsmanöver M2 durch. Sämtlichen Zieldatenplots 11a-11c ist zu entnehmen, daß dieses Geschwindigkeitsmanöver M2 die Zieldatenschätzung nicht stört, sondern die bisherigen Werte bestätigt. Nach 4 min ist das Manöver M2 beendet. Dieses Geschwindigkeitsmanöver M2 führt durch Veränderungen der radialen Geschwindigkeitskomponente V_R zu einer Veränderung der Dopplerverschiebung und damit der Empfangsfrequenz F_imess. Diese Änderung macht sich nicht negativ bei der Zieldatenanalyse bemerkbar. Auch das zweite Geschwindigkeitsmanöver M2 nach 19 min. führt nicht zu einem Verlust der Zieldatenbestimmung. Nach 29 min führt das Trägerfahrzeug ein Kursmanöver durch, d. h. der fahrzeugbezogene Peilwinkel zum Ziel ändert sich und die Peilwinkeländerung ist sehr groß. Während dieser Zeit ist eine stabile Schätzung des Peilwinkels nicht möglich, wie die Lücke in der Kurve in Fig. 11a zu entnehmen ist. Nach Beendigung des Manövers M3 ist ab 32,5 min wieder eine stabile Schätzung des Peilwinkels gegeben. Dieses Kursmanöver M3 stört jedoch weder die Kursbestimmung k des Ziels gemäß Fig. 11d, noch die Entfernungsschätzung R gemäß Fig. 11b und auch nicht die Geschwindigkeitsbestimmung gemäß Fig. 11c.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß aus den Zieldatenplots gemäß Fig. 11 deutlich hervorgeht, daß die ersten Zieldatenschätzungen ohne Eigenmanöver in einer Konvergenzzeit von weniger als 7 min. erreicht sind und daß Geschwindigkeits- und Kursmanöver vom Trägerfahrzeug die Konvergenzzeit der Zieldatenschätzung nicht verlängern.

Claims

1. Verfahren zum passiven Bestimmen von Zieldaten durch richtungsselektiven Empfang von Schallwellen, die von einem Ziel abgestrahlt oder gesendet werden, mit einer elektroakustischen Wandleranordnung einer Sonar- Empfangsanlage auf einem Trägerfahrzeug, aus geschätzten Peilwinkeln, die aus geschätzten Positionen des Ziels ermittelt werden, und gemessenen Peilwinkeln, wobei die Peilwinkeldifferenz zwischen gemessenem und geschätztem Peilwinkel iterativ minimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Peilwinkel empfangenen Schallwellen einer Frequenzanalyse unterzogen werden und die Frequenz mindestens einer Spektrallinie als Empfangsfrequenz (F_imess) bestimmt wird, daß eine Frequenzdifferenz (ΔF_i) der Empfangsfrequenz (F_imess) von einer geschätzten Dopplerfrequenz (F_iest) ermittelt wird, daß die geschätzte Dopplerfrequenz (F_iest) aus einer geschätzten vom Ziel abgestrahlten Sendefrequenz (F_sest) und einer Dopplerverschiebung (Q) aus geschätzten Zielpositionen (R_xiest, R_yiest), die zur Ermittlung des geschätzten Peilwinkels (B_imess) herangezogen werden, und deren zeitlichen Änderungen (_xiest, _yiest) in Peilrichtung bestimmt wird und daß das Minimum der Summe aus Peilwinkeldifferenz (δ_i, δ *|) und Frequenzdifferenz (ΔF_i) oder ihrer quadrierten Differenzwerte iterativ bestimmt wird,
wobei die bei Erreichen des Minimums geschätzte Position die Zieldaten liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfrequenz mit einer Lofar-Analyse bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfrequenz mit einer Demon-Analyse bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß gemessene Frequenzen mehrerer Spektrallinien zusammengefaßt werden und Meßwerte der Empfangsfrequenz (F_imess) bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gemessene Frequenzen mehrerer Spektrallinien individuell auf Frequenzwerte einer fiktiven Spektralfrequenz einer gemeinsamen Kunstspektrallinie transformiert werden und Meßwerte der Empfangsfrequenz F_imess bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fiktive Spektralfrequenz die gemessene Frequenz einer der empfangenen Spektrallinien ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwerte der transformierten Frequenzwerte Meßwerte der Empfangsfrequenz (F_imess) bilden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere quadratische Abweichung aller transformierten Frequenzwerte von einem ausgewählten transformierten Frequenzwert berechnet wird und die transformierten Frequenzwerte um diese Abweichung verschoben werden und Meßwerte der Empfangsfrequenz (F_imess) bilden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß x-y-Komponenten (R_xiest - ΔR_x; R_yiest - ΔR_y) aus einer Anfangsposition (x₀, y₀) zuzüglich einem geschwindigkeitsabhängigen Wegterm [(v_x + Δv_x).Δt, (v_y + Δv_y).Δt)] mit Geschwindigkeitskomponentenfehlern (Δv_x, Δv_y) und Wegkomponentenfehlern (Δ_x0, Δ_y0) mit deren zeitlichen Ableitungen multipliziert werden und dieses Produkt durch den Betrag der x-y-Komponenten geteilt wird, und eine Quotientenfunktion
bildet, die gleich der Dopplerverschiebung ist, daß die um einen Sendefrequenzfehler (ΔF_s) verminderte geschätzte Sendefrequenz (F_sest) mit der Differenz aus eins und der Quotientenfunktion multipliziert wird und die um die Frequenzdifferenz (ΔF_i) fehlerhaft geschätzte Dopplerfrequenz angibt

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehlervektor (ΔP) aus den Wegkomponentenfehlern (Δ_x0, Δ_y0), den Geschwindigkeitskomponentenfehlern (Δv_x, Δv_y) und dem Sendefrequenzfehler (ΔF_s) gebildet wird, daß die geschätzte Dopplerfrequenz (F_iest - ΔF_i) in eine Taylorreihe um den Fehlervektor (ΔP) entwickelt wird, daß ihre Frequenzkoeffizienten durch partielle Differenziation nach dem Fehlervektor (ΔP) bestimmt werden, ihr erstes Glied gleich der gemessenen Empfangsfrequenz (F_imess) ist und ihr zweites Glied gleich dem Produkt aus Frequenzkoeffizienten (g_il) multipliziert mit dem Fehlervektor (ΔP) ist und die Frequenzdifferenz (ΔF_i) zur Bestimmung des Minimums bildet:

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine trigonometrische Funktion aus den x-y-Komponenten (R_xiest - ΔR_xi; R_yiest - ΔR_yi) ermittelt wird, daß die Peilwinkeldifferenz durch eine Taylorreihenentwicklung der trigonometrischen Funktion bestimmt wird, daß ein Fehlervektor (ΔP_l) aus den Wegkomponentenfehlern (Δx₀, Δy₀) und den Geschwindigkeitskomponentenfehlern (Δv_x, Δv_y) die Variablen bei der Taylorreihenentwicklung bildet, daß ihre Teilkoeffizienten (h_il) durch partielle Differentiation der trigonometrischen Funktion nach dem Fehlervektor (ΔP_l) bestimmt werden, ihr erstes Glied gleich dem gemessenen Peilwinkel (B_imess) und ihr zweites Glied gleich dem Produkt aus den Teilkoeffizienten (h_il) multipliziert mit dem Fehlervektor (ΔP_l) ist, und die Peilwinkeldifferenz bildet,
daß die Summe aus quadrierter Peilwinkeldifferenz und quadrierter Frequenzdifferenz iterativ minimiert wird und ihr Minimum die Zieldaten liefert.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Zeitdauer während einer geradlinigen Bewegung des Trägerfahrzeugs längs eines Eigenlegs eine Zahl (l_k) von Peilwinkeln (B_imess) zum Ziel gemessen wird und ein Peilwinkel-Mittelwert () aus den gemessenen Peilwinkeln (B_imess) bestimmt wird, daß zu jedem gemessenen Peilwinkel (B_imess) ein geschätzter Peilwinkel (B_iest) ermittelt wird, daß ein Schätzwinkel- Mittelwert () aus den geschätzten Peilwinkeln (B_iest) berechnet wird, daß von jedem gemessenen Peilwinkel (B_imess) der Peilwinkel-Mittelwert () und von jedem geschätzten Peilwinkel (B_iest) der Schätzwinkel- Mittelwert () abgezogen werden und einen Meßdifferenzwert und Schätzdifferenzwert bilden, daß Meßdifferenzwert und Schätzdifferenzwert subtrahiert werden und diese Subtraktion eine von einem systematischen Peilwinkel (ϑ) freie Peilwinkelabweichung (D) des geschätzten Peilwinkels (B_iest) vom gemessenen Peilwinkel (B_imess) liefert und daß während der Zeitdauer (l_k.Δt_i) die Summe der Peilwinkelabweichungen (D) und der Frequenzdifferenzen (ΔF_i) oder der quadratischen Peilwinkelabweichungen und quadrierten Frequenzdifferenzen ermittelt werden und daß das Minimum der Summe iterativ bestimmt wird und die Zieldaten liefert:

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die trigonometrische Funktion und ihr Mittelwert gebildet werden, daß die Abweichung oder quadratische Abweichung durch eine Taylorreihenentwicklung der trigonometrischen Funktion und ihres Mittelwerts nach dem Fehlervektor (ΔP_l) bestimmt wird, ihre Koeffizienten (γ_il) gleich den Teilkoeffizienten (h_il) und ihren Mittelwerten () sind, daß ihr erstes Glied gleich dem Meßdifferenzwert und ihr zweites Glied gleich dem Produkt aus den Koeffizienten (γ_il) multipliziert mit dem Fehlervektor (ΔP_l) ist und die Abweichung (D) bildet, daß die Summe aus quadratischer Abweichung und quadrierter Frequenzdifferenz minimiert wird: